呼吸力学

关键词

●呼吸力学 ● 机械通气 ● 监测

要点

1、呼吸力学的测量仍然是床边机械通气监测的主要内容。

2、理想情况下，施加到肺部的能量是基于机械功率方程进行优化的。

3、设置呼吸机考虑了能量转移和防止呼吸机相关损伤的多个方面。

4、较新的技术似乎很有前景；特别是，电阻抗断层扫描和肺部超声与传统监测相结合是目前未来的方向。

导言

机械通气可通过气压伤、容积伤、肺不张、氧损伤和生物创伤损害肺组织。这5种机制有其特定的病理生理特征，但在损伤肺部的途径（呼吸机诱导的肺损伤[VILI]）上有相似之处。所有这些机制可能共同通过局部产生和释放炎症介质导致炎症，这被称为生物创伤。所谓的肺保护性通气策略旨在最大程度地减少VILI病理生理特征的发生。为了防止VILI，从呼吸机转移到患者的能量应限制在最低限度。为此，应将潮气量（VT）和吸气压力保持在较低水平，以最大程度地降低气压伤和容积伤的风险。本综述简要概述了呼吸（也称为肺）力学的测量以及实现这一目标的领域的当前发展。

什么是呼吸力学？

呼吸力学是指通过测量压力和流量来体现肺功能。根据这些，可以确定各种衍生指标，例如流量，压力，体积，顺应性，阻力和呼吸功（WOB）。这些因素直接影响肺容量，从而影响功能残气量（FRC）和气体交换。当将呼吸力学的一个参数绘制为时间的函数或其他参数之一的函数时，就会得出波形。这将产生压力-时间，流速-时间和容积-时间图形的标量追踪，以及流量容积（V-V）和压力容积（P-V）环。目前所有的正压呼吸机，包括手术室的正压呼吸机，都可以在床边提供一些呼吸力学监测。此外，先进的呼吸力学监测模式，如食管压力和膈肌的电活动，可用于对呼吸努力和膈肌功能进行复杂的分析。由于它们超出了本文的范围，因此将仅简要介绍它们。肺部超声检查提高了这些方式的诊断准确性，目前是床边呼吸机管理的第二大支柱。

为什么要测量呼吸力学？

机械通气是一种临时措施，用于替代或增强吸气肌肉的功能，提供必要的能量以确保吸气过程中气体流入肺泡。当这种支持被撤除时，随着肺和胸壁反弹到其原始容积，气体被被动地呼出。了解呼吸力学对于机械通气期间的患者评估至关重要，以便将可用技术与患者的需求相匹配。目标是优化患者的肺部生理，提供有效的气体交换，维持肺泡复张，减少潜在的损伤，并确保血流动力学稳定性。在评估过程中分析并结合呼吸力学测量将提供最佳术中机械通气所需的信息。优化设置要求医生了解患者-呼吸机相互作用的复杂性，特别是在呼吸波形显示的测量变量方面。它们代表了呼吸机与患者呼吸力学之间的相互作用，由运动方程描述，因此也代表了施加到肺部的能量（功）。

胸部力学生理学

可以使用线性一室模型简化呼吸系统，该模型包括代表气道的管道和代表肺泡和胸壁的气球。

通气阻抗有许多起源，其中最重要的是：

1、肺组织和胸壁的弹性阻力

2、肺泡气液界面表面力的阻力

3、气流通过气道的摩擦阻力

4、胸部组织变形产生的摩擦阻力（粘弹性组织阻力）

5、与气体和组织运动相关的惯性（在正常呼吸频率下可忽略不计）

前两种形式的阻抗可以归类为弹性阻力。这些是在气体不在肺内流动时测量的，代表肺和胸壁的总顺应性：

最后三种形式可分为非弹性阻力或呼吸系统阻力。它们发生在气体在气道内流动时，克服这种摩擦阻力所做的功会随着能量的散失而消失。流动阻抗表示气道阻力：

注意，线性一室模型没有考虑到在肺和胸壁疾病的情况下阻力和顺应性不是恒定的这一事实；相反，它们表现出流量和体积的依赖性。克服弹性阻力所做的功被储存为势能，吸气过程中的弹性变形是自然呼吸和人工呼吸过程中呼气的常见能量来源。

机械动力的概念

过去，调整呼吸机通常只考虑变量呼气末正压（PEEP），潮气量（VT），平台压（PPlat）和驱动压（ΔP）。其他成分如流量和呼吸频率被忽略了。问题是，一个变量的任何改变都会改变另一个变量，这使得理解变量之间的关系变得更加困难，从而模糊了整体情况。考虑到这一点，Gattinoni及其同事于2016年提出了机械能（MP）的概念。MP方程是通风频率和潮汐周期充气能量的乘积。后者由三个组成部分组成：（1）在气体运动过程中克服组织和气道阻力所需的功率（流动阻力功），（2）从共同的初始位置（VT相关功）充气肺和胸壁所需的功率，以及（3）克服肺和呼吸系统PEEP相关反冲所需的（非重复）功率。最终，在MP的表达式中，每个变量都包含在内：

其中Pappl是对肺的施加功率，Pvent和Pmus分别是呼吸机和肌肉施加的压力。弹性（E）将P与V联系起来，阻力将P与（V）联系起来，因此可以修改运动方程，以解释气道开口（Paw）处的压力如何分为阻力和弹性压力。

这里，P0是起始压力，呼气末零压或PEEP。以不同的方式编写，这些变量可以分为以下更熟悉的变量，可以在床边轻松测量：

其中DV标记VT，ELrs是呼吸系统的弹性（顺应性的倒数），RR是呼吸频率，I:E是吸气和呼气的时间比。为了开始充气，肺部需要的能量输入大于呼气末PEEP存储在系统中的势能。术语ΔV·PEEP是在PEEP水平（即与PEEP相关的MP，当与时间相关时）平衡系统中存储的势能所需的能量。

随着气道压力的升高，复张减少，扩张增加。因此，尽管其对肺不张的机械作用可能在较低范围内具有肺保护作用，但PEEP升高无疑是MP的一个组成部分，因此通过增加肺应力和应变有利于VILI。MP可以使用P-V曲线计算。功率定义为Δ跨肺压（x）-体积曲线的吸气支与体积轴（y）之间的面积，以焦耳为单位测量。

根据这一基本想法，Collino及其同事进行了一系列动物实验，通过改变PEEP来调整MP。总MP保持不变，PEEP在0至7 cmH2O之间。然而，能量的组成部分发生了变化。当PEEP相关能量增加时，由于驱动压力（ΔP）和流动阻力的成分，能量降低，PEEP水平高达7 cmH2O。如果PEEP进一步提高（高达11-18 cmH2O），MP的所有成分以及总能量都在稳步增加。VT，驱动压力和吸气流量使MP指数增加2倍。MP的频率呈1.4指数增长，而PEEP呈线性增长。相同的MP可能对健康或受伤的肺部产生不同的影响。12 J/min的功率可能是VILI的有意义的上限，也可能是生存的预测指标。以预测体重标准化的MP是预测成人呼吸窘迫综合征（ARDS）患者死亡率的良好呼吸机变量。

应力

应力是施加在某一区域的力，例如施加在肺实质上的压力。以一定角度施加的力产生剪切应力。在临床上，肺应力是指肺内的扩张压力，而反作用力（外部负荷）是胸壁。施加在肺部的压力的最佳指标是跨肺压，这在常规实践中很难测量，但可以通过经肺压力测量来估计（例如，使用食管球囊，请参见以下信息）。在床边，平台压通常被用作替代指标，尽管这有局限性。平台压并不代表肺纤维上的实际力，而是扩张肺部和胸壁（由胸腔和横膈膜组成）所需的压力。例如，在气腹期间，胸壁僵硬的患者会有较高的平台压，不能自动转化为肺过度扩张。在大多数患者中维持平台压力低于25 cmH2O（ARDS患者<30 cmH2O）会将肺应变限制在2 cmH2O以下（被认为是有害的），肺应力限制在22至24 cmH2O（被认为是应力的上限）。

应力指数

该指数用于评估恒定V-V控制通气期间压力-时间曲线的形状。压力的线性增加（恒定顺应性，指数1）表明足够的肺泡复张而没有过度扩张。如果顺应性随着肺部充气而恶化（顺应性逐渐下降，向上凹陷，指数>1），这表明过度扩张，建议降低PEEP，VT或两者。如果顺应性随着肺部充气而改善（顺应性逐渐增加，向下凹陷，指数<1），这表明存在潮气量复张和额外复张的可能性，建议增加PEEP（图1）。

图1：应力指数。（由马里兰州贝塞斯达国立卫生研究院重症监护医学临床研究员Willard Applefeld医学博士提供。）

应变

应变是指结构形状与其静止状态相比的变形或变化。肺应变与肺应力直接相关：应力= k x 应变，其中k是比肺弹性（人体为13.5 cmH2O）。为了计算肺应变，在呼气末压力为零时获得FRC值：肺应变= ΔV/FRC，其中ΔV是指吸气期间肺容积的变化。如果在没有PEEP的情况下在FRC下测量呼气末肺容积（EELV），则可以测量应变，然后计算应力。然而，随着PEEP的应用，肺应变的概念变得复杂且不太直观。

时间常数

当压力的阶跃变化应用于呼吸系统时，体积（以及流量和肺泡压力）的变化遵循指数曲线。体积变化的速度由时间常数（t）（秒）描述。时间常数决定了被动充气或放气的肺单位体积的变化率。它由以下关系表示：

其中，Vt是时间t时肺单位的体积，Vi是肺单位的初始体积，e是自然对数的底，t是时间常数。

可以在吸气或呼气期间计算时间常数。从数学上讲，一个时间常数等于阻力和顺应性的乘积，它描述了将体积增加或减少总体积变化63%所需的时间：t = R x C。阻力和/或顺应性较高的肺单位的时间常数较长，需要更多的时间来填充和排空。

吸气时间常数

由于时间常数表示对阶跃变化（即方形压力波形）的响应，而压力上升时间从不为零，因此吸气时间常数（RCinsp）对于程度的估测是不精确的。吸气时间常数很重要，因为它决定了在压力控制模式下完成VT输送所需的吸气时间。

呼气时间常数

呼气时间常数（RCEXP）几乎完全取决于患者（假设被动呼气，PMUS = 0且无泄漏），并且与呼吸机设置无关，以至于压力瞬间下降至PEEP（由于呼吸机呼气回路中的阻力，这永远不太正确）。因此，RCEXP是患者动态呼吸力学的首选指标。一些呼吸机在所有通气模式（包括无创通气）下提供RCEXP的测量。体积时间图可用于计算t（图2）。对于肺部正常的插管患者，RCEXP通常在0.5至0.7秒之间。不同病理的值如表1所示。呼气时间常数决定了在任何模式下完全呼气所需的时间。因此，如果呼气时间设置为小于五个时间常数，将发生具有内源性PEEP的肺泡陷闭（自动PEEP>0）。

图2：呼吸机屏幕图像表示气道压力（PAW），流量，体积和食管压力（PES）随时间的变化。PPEAK，吸气峰值压力；PPLAT，气道平台压力；PPLAT（ES），食管平台压力；P0，气道压力波形中的总PEEP；P0*，食管压力波形中的总PEEP；VT，潮气量。

表1:不同肺部病理的静态肺顺应性（Cstat）、吸气阻力（Rins）和呼气时间常数（Rexp）。

围手术期测量

一般来说，现代呼吸机都能够测量气道压力和流量。容积来自流量测量。除了机械呼吸机上显示的气道压力外，其他压力测量来源（例如气管压力，胃压力和食道压力）可用于分离气道阻力和胸壁弹性对肺力学的影响。

压力测量

在机械通气期间，使用压力传感器将压力转换为电信号来测量气道压力（请参阅图2）。理想情况下，在近端气道（例如气管导管尖端）测量压力。呼吸机可以通过在呼吸机回路交替波形支的零流量条件下测量吸气阀和呼气阀附近的气道压力来近似近端气道压力。吸气时在呼气阀附近测量吸气压力，反之亦然。气道压力通常作为时间的函数显示在呼吸机屏幕上，并且可以通过运动方程进行数学预测。

气道峰值压力

气道峰值压力（Paw）是吸气期间记录的最大压力。吸气峰压分为两部分，（1）通过气道产生气流的阻力，（2）肺泡压力使肺泡和胸壁扩张。峰值Paw包括阻力和肺泡成分，但由于吸气结束时没有流动（通过短暂的吸气阻塞），平台压可以纯粹反映扩张肺泡和胸壁的肺泡压力。根据运动方程，Ppeak取决于PEEPtot，流量，吸气阻力，VT和呼吸系统顺应性（假设肌肉活动[Pmus = 0]）。因此，呼吸力学的任何恶化都与Ppeak的增加有关。为了区分阻力增加和顺应性降低，第一步是进行吸气末阻塞以测量平台压力（Pplat）。如果Pplat没有改变，Ppeak的增加是由于阻力的增加。如果Pplat较高，则Pplat的变化要么是由于总PEEP的增加，要么是顺应性的降低。随后，应进行呼气末阻塞以测量总PEEP并检测隐匿性或内源性PEEP。

吸气末期平台压力

平台压（Pplat）是在机械通气期间通过短时间（通常为0.5至2秒）进行吸气末屏气或者间歇性地通过手动执行吸气末阻塞来测量的。在屏气期间，整个系统的压力平衡，以接近近端气道压力Palv。根据运动方程，Pplat取决于PEEPtot，VT和呼吸系统顺应性。在完全支持通气期间，Pplat由VT和CRS确定：Pplat = VT/CRS。Pplat的测量仅在肺部被动充气期间有效，但在主动呼吸期间无效。在压力控制通气期间，流量可能在吸气阶段结束时降至零；在这种情况下，吸气峰压（PIP）和Pplat相等。

Ppeak和Pplat之间的压降称为气道压力，代表阻力。由于气道阻力（Raw），如果存在气流，吸气期间近端气道压力总是大于肺泡压力（Palv）。如果吸气时间结束时吸气流量仍然为正，则平台压力将低于预设的吸气压力。在这种情况下，需要吸气末阻塞来测量平台压力。理想情况下，Pplat应保持在30 cmH2O以下，ARDS患者甚至更低。这假设胸壁顺应性（CCW）是正常的，而如果CCW降低，较高的Pplat可能是安全的。

吸气末阻断压力

对于肺部正常的患者，吸气末闭塞至少0.5秒可以准确测量Pplat。然而，对于伴有肺部不均匀性的患者，需要长达5秒的较长吸气端闭塞才能达到平台。这种长时程吸气闭塞必须手动进行。吸气末阻塞会导致气道峰值压力（Ppeak）立即下降至较低的初始压力（P1）。然后，即使在呼吸机阀门关闭以在3至5秒后达到平台（Pplat）后，压力仍会逐渐下降，具体取决于肺力学。然后将最大阻力（Ppeak-Pplat）/流量分为最小阻力（Ppeak-P1）/流量和附加阻力（P1-Pplat）/流量。最小阻力代表气道和气管导管的流动阻力。附加阻力代表肺组织的粘弹性或应力释放以及具有不同时间常数的肺单位之间的流动衰减（pendelluft）。较新的概念使用呼气时间常数（tE）来提供Pplat的实时测定，而不需要吸气末屏气动作。如果呼气不是像清醒患者那样完全被动，这将是有帮助的。

平均气道压力

平均气道压力是整个通气周期的平均压力。从图形上看，它由压力-时间曲线下的面积除以通气时间（吸气时间加呼气时间）表示。在压力控制通气期间，吸气压力波形是矩形的，平均Paw可以估计如下：

使用容控模式，波形是三角形的，因此将上述值减半：

许多当前的微处理器呼吸机将通气期间采集到的Paw波形样本的平均值作为平均Paw显示出来（例如每20毫秒）。平均气道压力在临床上很重要，因为PaO2与平均气道压力成比例。另一方面，心输出量可能与平均气道压力成反比。完全机械通气患者的典型平均Pwa值为：正常肺患者为5至10 cmH2O，气流阻塞患者为10至20 cmH2O，ARDS患者为15至30 cmH2O。任何通过增加吸气时间或减少呼气时间来增加气道压力或I:E比率的东西都会增加平均气道压力。

呼气末压力和自动呼气末正压

一般情况下，呼气流量最好在呼气结束前达到零（图3）。如果呼气期过早终止，则会发生肺部不完全排空。这种被困气体产生的压力称为自动PEEP（Auto-PEEP）、内源性PEEP或隐匿PEEP。自动PEEP增加EELV并导致动态过度膨胀。通过呼气末暂停0.5至2秒或更长时间来测量PEEP。在该操作结束时测得的超过呼吸机上PEEP设置的压力被定义为自动PEEP。为了进行有效的测量，患者必须放松并与呼吸机同步呼吸，因为呼气期间的主动呼吸会使测量无效。当一些气道在呼气过程中关闭时，呼气末暂停法可能会低估自动PEEP，就像严重哮喘患者（气道关闭）的肺部通气过程中可能发生的那样。自动PEEP可减少压力控制通气期间的VT，并可能导致无效的触发努力和不同步。在自主呼吸患者中，食管压力（Pes）的测量可用于确定自动PEEP（请参阅以下信息）。自动PEEP可以通过减少分钟通气（呼吸速率或VT），增加呼气时间TE（速率或TI下降），或减少Raw（如支气管扩张剂给药）。呼气期间的压力曲线也反映了呼气阀的状态。如果呼气阀表现出显著的气流阻力，呼气开始时的压降将是平稳的。如果呼气阀泄漏，呼气压力将低于设定的PEEP。

图3：在阻塞性肺病患者的呼吸机屏幕上可以观察到内源性PEEP的发生。（A） 呼气暂停的气道压力波形显示存在PEEPi（或自动PEEP）。（B） 流量曲线表明在呼气时间内无法呼出所有气体，从而形成气体陷闭。

驱动压

驱动压（ΔP）（更准确地说，潮气量压力）是在呼吸系统的潮气量充气过程中克服弹性力所需的压力。驱动压力计算如下：

驱动压是对呼吸系统施加压力的一个衡量标准，代表了容积伤的风险。在对ARDS患者的回顾性研究中，驱动压（ΔP）与死亡率之间存在明显的相关性。这一临床观察结果证实了ΔP是对肺部有害能量的衡量标准的假设。ΔP越高，MP应用于肺部的次数就越多。ΔP代表了运动方程的一个有吸引力的捷径，因为它结合了变量Pplat和PEEP。Pplat代表总吸气力，PEEP代表呼气力。Pplat增加与肺不张和肺萎陷伤的过度扩张和PEEP水平不足有关。PEEP的变化必然会增加Pplat，这一事实使情况更加复杂。研究表明，生存率并不取决于ΔP在P-V图上的位置，而是取决于ΔP的绝对值。

流量和容积

所有当代重症监护呼吸机都监测流量。注意，按照惯例，呼气流量为负，吸气流量为正。最常用的气流测量是Fleisch呼吸速度记录仪，它是呼吸力学研究中流量评估的黄金标准。热冷却（或热电阻）呼吸速度记录仪应用热对流原理，根据气体流经设备时的热损失量来估计V。与Paw测量的情况一样，大多数呼吸机在吸气阀测量Vi，在呼气阀测量Ve，而不是在气道测量。

吸气流量

峰值吸气流量Vi取决于以下因素：压力梯度、驱动流量和吸气阻力。

在容量控制通气过程中，呼吸机上设置了Vi。在被动压力控制通气过程中，流量是施加到气道的压力，Raw和t（图13）：Vi=（ΔP/Raw）x e ^-t/T，其中P是PEEP以上施加到气道的压力，t是吸气阶段开始后经过的时间，e是自然对数的底。

呼气流量

呼气流量（VE）通常是被动的，由Palv、Raw、呼气开始后经过的时间和t决定：V=-（Palv/Raw）x e ^-t/T 

如果Raw较高且呼气时间Te不足，则存在呼气末流量，表明存在空气滞留（自动PEEP）。确定自动PEEP是否是由于流量限制而引起的可能是有价值的。如果按压腹部导致没有额外的呼气流量，则存在流量限制。未触发和流量限制的存在表明PEEP可能有效地平衡自动PEEP。呼气流量波形的陷波表明存在未触发的努力。

^潮气量

大多数呼吸机不直接测量容积，而是通过流量积分得出。由于通常不直接在近端气道测量流量，因此呼吸机输出的体积小于输送给患者的体积。现代呼吸机可校正回路压缩的体积，可高达0.5至1.5ml/cm H2O。

衍生测量

为了便于评估，呼吸机设置在容量控制模式下，具有恒定的吸气流速模式。必须注意尽量减少患者自身的呼吸努力，这会使这些测量无效或复杂化。呼吸力学和肺容量/容量衍生指数之间的关系主要取决于预测FRC中通气损失的存在：CRS反映呼气末通气量，DP大致测量动态应变，只有当充气肺容量低于个体预测的FRC时，才能通过这两个参数的变化在床边检测到PEEP诱导的肺泡复张。

顺应性测量

顺应性测量是有无肺部疾病患者呼吸机管理的关键。呼吸系统静态顺应性（Crs）是任何体积变化对肺部产生的压力负荷。它计算为体积变化与压力变化的关系，如下所示：

正常呼吸顺应性在50至70 mL/cmH2O的范围内。

静态顺应性的测量相对简单，但也有一些局限性：

最重要的是，它不能区分肺和胸壁。

接下来，仅在一次VT下测量，并假设呼吸系统是一个单一的部分，这可能低估了在具有很大不均匀性的临床情况下（例如ARDS）区域依从性的复杂性。两者之间的区别需要测量胸内（或胸膜）压力。即使在没有直接测量的情况下，在病态肥胖、腹胀、胸部绷带过紧和大量胸腔积液的情况下也可以怀疑胸壁对低CRS的显著影响。

动态顺应性（DyCrs）相似；然而，它将气道阻力（Raw）纳入计算值。对于呼吸系统的单室模型，Cstat = Cdyn与呼吸频率无关。对于肺的多室模型，随着阻力和顺应性的分布变得不均匀，Cstat变得比Cdyn更大，因为流量持续存在在具有不同机械性能的肺单位（pendelluft效应）中，这种流量增加了相同ΔV的ΔP。在这种情况下，C随着呼吸频率的增加而降低。最佳顺应性表现出理想的扩张压力，肺泡复张，V/Q匹配，同质性，因此可以预防VILI。静态顺应性值与每个患者和环境有关，通常在40至80 mL/cmH2O之间。关键因素是确保每位患者的最佳顺应性。复张的开放肺是符合顺应性的，而肺不张或过度充气的肺则不是。当计算不方便时，平台压力也可以作为顺应性的替代指标。它是由肺和胸壁的顺应性决定的。

胸壁顺应性

为了计算Ccw，在被动充气期间使用Pes（Ppl）的变化：Ccw = V/P =

VT/Pes。

正常Ccw为200 mL/cmH2O，在病态肥胖、腹腔间隔综合征、胸壁水肿、胸壁烧伤和胸部畸形（如后凸畸形）中会降低。Ccw也随着肌肉张力的增加而降低（例如，与呼吸机不同步的患者）。Ccw会因连枷胸和瘫痪而增加。

肺顺应性

为了计算肺部顺应性（CL），使用肺部充气时PL的变化：

CL = V/P = Vt/PL

正常CL为150至200 mL/cmH2O. CL的变异性可能与肺泡的表面张力和肺组织的粘弹性有关。急性呼吸窘迫综合征、心源性肺水肿、肺气肿、实变、肺不张、肺纤维化、全肺切除术、支气管插管和过度扩张可降低CL。CL随着肺气肿而增加。

气道阻力

Raw反映了气道和气管插管对通气的阻力。然而，气管内导管的阻力是已知的，可以使用这一知识和临床判断（如流量曲线所示，导管内是否存在分泌物）来估计气道与设备对Raw的影响。呼吸机回路施加的阻力（通常是最小的）不属于此测量的一部分。Raw受流量、肺容量和呼吸不同阶段的影响。阻力在到达肺深部之前消失，肺泡中不存在阻力，因此不会增加VILI的风险。

在容量控制通气过程中，Ri可以根据PIP、Pplat和呼吸末流量进行估计：

Ri = （PIP - Pplat）/Vi

Re可以根据Vexh和Pplat和PEEP之间的差异进行估计：

Re = （Pplat - PEEP）/Vexh

Raw增加的常见原因是支气管痉挛、分泌物和内径较小的气管插管。对于插管和机械通气的患者，Ri应小于10 cmH2O/L/s。吸气Raw通常低于呼气Raw，这是由于吸气过程中气道直径增加，特别是在患有慢性阻塞性呼吸系统疾病（COPD）和动态过度充气的患者中。

PIP-Pplat差异可以在快速评估期间提供吸气Raw的替代指标。Raw也可以从呼吸系统的时间常数（t = R x C）估计。该方法允许计算吸气和呼气Raw。当使用可变流量模式（如压力控制通气）时，无法确定Raw。流量/时间，容积/时间和压力/时间波形可能表明未能达到基线，表明高呼气Raw，空气潴留，动态过度充气和/或自动PEEP。最低的Raw通常与最佳顺应性和PEEP一致。在异质性阻塞性肺中，最佳PEEP将稳定气道，改善通气分布，减少空气滞留，防止自动PEEP，并产生最低的呼气Raw。与目前的经验数据不一致，不进行外部设置的PEEP以减少阻塞性肺病中的空气潴留是一种错误的技术。通过最佳PEEP，治疗分泌物或支气管痉挛等气道异常，并确保气道通畅，可以最大程度地减少Raw。

死腔测定

每次呼吸中约有33%不参与气体交换，称为死腔（Vds），平均理想体重为2 mL/kg。死腔分为两类：解剖死腔和肺泡死腔。两者共同包含生理（总）死腔，并与VT（Vds/VT）成比例测量。应用玻尔方程的Enghoff修正公式，Vds/VT = PaCO2–PeCO2/PaCO2，可以估计死腔分数的值。尽管在技术上并不等同，但呼气末二氧化碳（ETCO2）可以替代PeCO2。先前已经提出CRS和肺泡死腔来优化手术期间的PEEP设置。倾向于允许在通气中滴定VDds/VT，以实现最佳的V/Q匹配和气体交换。肺内分流测量可以提供有关氧合和V/Q不匹配的额外数据，但分流计算很复杂。血气分析得出的肺泡至动脉梯度可以作为替代物（A/a梯度 = PAO2–PaO2）。确认最佳Crs，DyCrs，Raw，Vds/VT和气体交换是提供最佳机械通气的关键方面，这反过来又将术后肺部并发症（PPC）和VILI的风险降至最低。

拓展测定

气道流量和压力曲线显示呼吸机设置与患者呼吸力学之间的复杂相互作用。呼吸机显示的压力、体积和流量曲线只不过是运动方程的图形表示。

P-V 环

在吸气动作开始时完全通气的正常肺中，由P-V回路显示的P-V关系是线性的。这意味着在整个充气过程期间，顺应性保持不变。P-V曲线的斜率为CRS。呼气过程也是线性的。

由于组织的粘弹性，出现了一定程度的生理滞后（P-V回路的充气和呼气支之间的区域）。在ARDS早期阶段患者中，与肺部正常的患者相比，P-V环的形状可能不同（见图4）。吸气和呼气支表现出斜率的变化，这意味着呼吸系统的顺应性在不同的压力水平下是不同的。此外，由于在充气过程中出现的复张和在放气过程中发生的塌陷，滞后现象比肺部正常的患者更大。复张所需的压力比塌陷的压力更大。因此，准静态P-V回路可用于评估复张潜力并预测复张动作的效果。吸气和呼气之间的容积差异越大，复张的可能性就越高。迟滞的计算相当困难，但可以很容易地使用在20 cmH2O压力下测量的吸气和呼气之间的容积差来估计。如果容积差异大于500毫升，则意味着有很高的复张潜力。许多问题妨碍了在ARDS患者中常规使用P-V曲线来设置呼吸机。在非恒定流量通气（如压力控制通气）和较高Vi的情况下，对P-V曲线的正确解释是有问题的。P-V曲线的测量需要深度镇静，通常需要肌松才能正确进行测量。胸壁力学特性可能会影响P-V曲线的形状，因此需要进行Pes测量，以区分肺与胸壁效应。与呼吸力学的大多数测量一样，P-V曲线将肺部视为一个单独的空间，而忽略了ARDS患者肺部的不均匀性。执行后续的P-V曲线并测量不同PEEP水平对应的肺容量可用于评估PEEP导向的肺复张。在给定气道压力下的肺复张可观察到不同PEEP不同水平对应的不同肺容量下P-V曲线之间的肺容量差异（图4）。

图4：压力-容积曲线（P/V）及其滞后。（a） 正常患者的P/V曲线。（b） ARDS患者的P/V曲线。

容积-容积环

V-V环以流量作为体积的函数显示。对V-V环的分析可能有助于识别呼气期间的流量限制和支气管扩张剂反应。无法达到零流量表明呼气在高于FRC的肺容量处结束，FRC会产生自动PEEP（PEEPi）。V-V曲线可以比临床检查更可靠地提供过量分泌物的提示，气道中过量分泌物的存在在吸气和呼气V-V弯曲上产生锯齿状图案。 V-V环也可用于检测导致每次呼吸容积损失的空气泄漏量，以及输送的VT和呼出的VT之间的差异。空气泄漏可能发生在位于呼吸机和患者之间的呼吸机系统以及患者体内，例如，当存在支气管胸膜瘘时。无论其位置如何，空气泄漏都会导致V-V环在呼气末闭合的特征性消失，因为一部分吸入的VT没有返回呼气侧的测量位置（图5）。

图5：不同情况下的流量-容积曲线。（A） 正常患者；（B） 患有COPD和动态过度充气和自动PEEP以及支气管扩张剂治疗后的患者；（C） 呼气流量突然中断，代表患者（支气管胸膜瘘）或呼吸机回路的重要气体泄漏；（D） 在吸气和呼气肢体均观察到锯齿状图案，表明气道中存在分泌物。

最佳呼气末正压通气

最佳PEEP是指应将呼气末的压力设置为可防止输送有害能量到肺。提供足以维持肺泡复张的PEEP水平有助于保护性通气。所有其他参数和设置都依赖于适当的PEEP水平，以确保足够的通气，FRC和复张。如果PEEP超过稳定肺部所需的水平，尽管使用了低VT，但可能会导致过度扩张。因此，未受伤肺部的中等PEEP水平可能代表了周期性过度扩张和肺单位关闭/重新开放之间的折衷。应用的最佳PEEP仍存在争议。具有较高PEEP（10–12 cmH2O）的通气可能没有临床益处，因为迄今为止的研究表明没有针对PPC发展的保护作用，这表明最佳设置具有广泛的受试者间差异。这可能归因于其双刃性：PEEP在已经开放的肺泡（即静态应变）中产生过度充气并伴有肺损伤，但当它有效地复张新的区域时会降低动态应变。有人反对使用更高的PEEP，因为它对循环有影响，并且需要术中使用血管活性药物。

最佳呼气末正压是多少？如何确定？

必须为每位患者单独确定PEEP。塌陷和过度扩张的最低总和将是最佳PEEP，这将导致最小的肺损伤。基本的PEEP判断方法涉及监测PEEP逐渐变化的顺应性和/或其替代物（PIP，Pplat）。在PEEP测定期间，DyCrs已被证明是一个特别有价值的指标，除了Crs之外，还考虑了Raw的变化。肺泡-动脉梯度，氧合和Vds/VT通常会随着顺应性和阻力而改善，表明实现了最佳设置。Suter及其同事发现，最佳的Crs与最大的氧气传输和最低的Vds/VT相吻合。PIP/Pplat的增加大于PEEP的变化将表明顺应性下降，过度扩张和VILI风险增加。对于使用压力控制通气的患者，麻醉医生可以在DyCrs或Crs中使用类似的推断，注意到设定PIP和/或ΔP的传递VT的变化。由于压力是固定的，因此VT变化指向顺应性，复张和FRC的变化，而容积通气期间的PIP/Pplat变化则相反。最佳PEEP应在不影响血流动力学的情况下促进这些目标；否则，氧气输送将受到限制。

这些考虑因素最相关的临床结果是：CRS和ΔP是监测通气损失，动态应变和PEEP导向的复张的最佳可用床边工具。

胸内或胸膜压

胸膜压（Ppl）是通过使用食管球囊导管测量食管下三分之一段的压力来估计的。食管压（Peso）用作胸膜压的替代物，以估计CL和Ccw，量化辅助通气模式期间的自动PEEP和WOB，并评估膈肌功能障碍的程度。Ppl的测量在呼吸力学的评估中具有重要价值，有经验的临床医生可以在床边使用。

跨肺压和食管压

经肺压力（Ptp）是肺泡内压力（Palv）和肺部周围压力（胸膜压力，Ppl）之间的差值（图6）：

Ptp = Palv - Ppl

由于Palv和Ppl的体内测量不可行，通常假设Palv大致等于气道开口处的静压（Pplat，PEEP），并且假设Ppl等于食管压力（Peso）。Ptp通常被描述为肺部的扩张压力，因为它最好地描述了Ppl和Palv在肺部的相互作用的总和。由于Peso在ARDS、肥胖或腹腔内压力增加的情况下可能升高，因此Ptp的使用允许基于施加到肺部的实际压力来滴定正压。为了实现最佳的补充，可以增加PEEP，直到呼气末Ptp呈阳性，以在呼吸周期中保持气道和肺泡的开放。通过计算吸气保持期间的Pplat–Peso差异来评估吸气末Ptp。它可用于评估安全压力阈值：吸气末Ptp低于20 cmH2O通常被认为是安全的。

图6：肺力学涉及的主要不同压力。

对于肺，只有跨肺压（PL = Ppl–Palv，Ppl是胸腔内压力）决定肺泡扩张。除了在整个肺部分布不均匀外，胸腔内压力不容易获得。作为替代指标，食管压力（Pes）可用作平均Ppl的估计值。这种微创方法可用于估计PL，这在胸外顺应性降低（如肥胖或腹内压升高）的情况下尤其有利。仰卧位时，纵隔重量和腹压均会增加Pes。一些研究指出，由于体位和纵隔的影响，Pes比Ppl高约5 cmH2O。Pes可以代表Ppl的平均水平，Pes和Ppl具有良好的相关性。为了确保Pes准确反映Ppl，Pes测量的技术方面很重要。它通常包括食管压力计的特征，放置位置，气囊充气量和数据解释。为了确保Pes的准确性，需要通过阻断测试来明确其定位。在某些情况下，例如肥胖，胸部或腹部疾病，Paw不能反映肺部的实际压力梯度，因为较高百分比的Paw用于克服胸壁的弹性。监测胸膜压力（Ppl）或食管压力（Pes）可能有助于区分作用于肺和胸壁的压力梯度。另一方面，当患者进行自主呼吸时，吸气肌肉和呼吸机在辅助通气模式下都参与呼吸活动。使肺膨胀的压力来自呼吸机和患者吸气肌肉产生的压力。然而，过度的呼吸努力也会诱发自主呼吸患者自我造成的肺损伤。因此，在辅助通气期间监测自主呼吸努力并平衡机械通气与自主呼吸努力之间的关系非常重要。Pes，胃内压（Pga）以及从Pes和Pga得出的一系列参数的监测可用于定量评估自主呼吸努力。

利用食管压力选择呼气末正压

对于PEEP水平的选择，主要选择气道压力Paw。然而，这分别代表了人工气道或呼吸机的压力。Paw很容易显示并测量包括人工气道在内的整个呼吸系统的机械性能。因此，只有在零流量条件下（吸气终止，呼气结束或阻塞期间），Paw才等于气管压力（Ptrach）和肺泡压力（Palv）。最初用于ARDS以选择正确的PEEP值，一些研究表明，在使用Pes改善氧合和依从性方面取得了有希望的结果。令人惊讶的是，从结果来看，死亡率和其他终点，例如PEEP，PTP，Paw，驱动压和PaO2/FiO2比的测量值没有显着差异。这可能是由于在氧输送中PEEP过高而产生的血流动力学负面影响。使用Pes来估计Ppl存在潜在的误差来源。重要的是要了解Pes估计胸腔中段的Ppl。Ppl在非凹陷性胸腔中更趋向阴性，在依赖性胸腔中更趋向阳性。心脏的重量可以使Pes偏向5 cmH2O。经肺压力（Ptp）是口腔压力和食管（胸膜）压力之间的差值。在无流量（吸气或呼气暂停动作）期间，Ptp成为肺泡扩张压力。在本文中，假设Ptp是在静态条件下测量的，因此代表肺泡扩张压力。呼吸机的设置应避免呼气时Ptp阴性（导致周期性开闭损伤），并避免吸气结束时Ptp过多（过度扩张）。

肺与胸壁顺应性

需要用Pes来分离CL和Ccw。测量吸气末Peso（Peso，i）和呼气末PESO（Peso，e）可以区分Crs的两个组成部分：Ccw和CL。

呼吸系统弹性特性的划分有助于理解低CRS作为一个整体是否可能是由于低CL，低Ccw或两者兼而有之。胸壁弹性特性受损，如病态肥胖、气腹或腹内压升高，表明需要向肺部施加额外压力并将其传递至胸膜腔，以实现足够的胸廓充气。随着胸壁变得更加坚硬，用于肺部扩张的Paw比例变小。在滴定Paw以复张ARDS患者的肺时，必须考虑胸壁的僵硬程度（低Ccw），因为可能需要更高的Paw水平来实现所需的复张，而不会有同样的肺损伤风险。使用Ptp而不是Pplat作为Paw滴定的目标已被证明是安全有效的。

功能性残气量和呼气末肺容量

FRC表示肺呼气结束时的未受应力的体积。在接受机械通气和不同PEEP水平的危重患者中，最好使用EELV。EELV的计算基于FiO2的阶跃变化和氮气为平衡气体的假设。基线测定是对潮气末氮气（FETN2）进行的。假设氧气消耗和二氧化碳生产在整个测量过程中保持恒定。然后，FiO2发生20%的阶跃变化，EELV计算如下：VN2/FETN2，其中FETN2是FiO2阶跃变化后的变化。呼吸到呼吸的变化是在20次呼吸中计算出来的。EELV测量是在一些现代呼吸机中实现的。对于这种应用，吸入和呼出气体中的氮浓度不是直接测量的，而是根据潮气末的氧气和二氧化碳浓度估计的。

为什么要在有创通气过程中测量肺容量？

在PEEP滴定过程中使用EELV似乎很有吸引力。PEEP的增加总是会增加EELV，呼吸系统顺应性可以预测其增加的体积。PEEP诱导的EELV增加可能是复张的结果，也可能是已经开放的肺泡过度扩张的结果。因此，PEEP和EELV都可能导致肺应变，而EELV本身可能无法评估PEEP反应。

电阻抗层析成像技术（EIT）

电阻抗断层扫描（EIT）是一种无创且无辐射的成像技术，它使用至少16至32根位于胸腔周围的导线。EIT通过测量肺部区域的阻抗变化，提供区域通气分布的呼吸动态成像；这些信息无法通过全局监测（例如气道压力，流量监测）获得。EIT可以检测与复张动作和递增或递减PEEP试验相关的肺阻抗变化，从而能够识别通气期间最均匀的PEEP水平。EIT结合肺力学可以避免由于PEEP过多而导致的过度充气，如果仅在气体交换的基础上滴定PEEP可能会达到这种程度。事实上，与顺应性降低相关的高阻抗是提示过度充气的变化的标志，而与顺应性降低相关的低阻抗则提示肺塌陷。对于严重ARDS患者，EIT引导的PEEP滴定与改善氧合，顺应性，驱动压力和脱机成功率有关。

特殊群体的机械通气

自主呼吸患者

在自主呼吸的患者中，患者肌肉（Pmus）产生的压力与呼吸机施加的压力相加：

这个等式有两个含义：

首先，对于PC模式，增加Pmus不会影响Paw（因为这是预设的），但会增加容积和流量（即它会使容积和流量曲线变形）。对于容量控制模式，增加Pmus会减少Paw（即它会使压力曲线变形），但不会影响容积或流量（因为它们是预设的）。

其次，Pmus必须超过PEEPtot才能使Paw下降（或流量增加）足以触发吸气。否则会发生患者-呼吸机不同步，这被称为无效的触发努力。

腹腔压力增加

腹内压是腹腔内的稳态压力。正常腹内压为5mmHg；它在吸气时随着膈肌收缩而增加。直接测量腹腔内压力是不可行的，因此膀胱法最常用于间歇性腹内压力测量。腹内压力应在仰卧位呼气结束时测量，以确保没有腹肌收缩。在机械通气患者中，腹内压的增加导致CRS降低，呼吸系统的P-V曲线变平和向右移动。这些变化是由于Ccw减少，而CL保持不变。在深度镇静的ARDS患者中，膈肌表现为被动结构，因此在胸腔中向上移动，将增加的腹内压力传递到肺下叶，导致压迫性肺不张。腹部手术减压可以复张肺容量并增加PaO2/FiO2。直立姿势会增加腹内压并降低CRS，这表明这种姿势可能导致腹内高压患者的呼吸功能恶化。

气腹

在微创手术的情况下，将二氧化碳注入腹部会导致呼吸系统的机械特性发生重大变化。一方面，胸部顺应性随着膈肌向头端移位而变化；另一方面，压迫性肺不张导致EELV减少。例如，呼吸机提供的与呼吸力学有关的参数（平台压和峰值压力，顺应性）的常规监测不适合量化这两个（肺/胸）机械部分。因此，面对在其他不变的容量控制通气期间平台压的增加，麻醉医生将无法辨别这是否仅仅是二氧化碳注入腹部并随后改变胸部顺应性的结果，还是它代表了VT和EELV之间的实际不匹配，导致应变增加和潜在的肺损伤。严格限制这些压力不能作为一个概念简单地应用于微创手术的设置。估计直接作用于肺部的压力的一种选择是测量跨肺压（参见上述信息）。然而，迄今为止，没有证据表明根据跨肺压测量调整通气参数，特别是PEEP可以避免PPC。由经腹膜吸收吹入的CO2气体引起的动脉CO2增加可能需要显着增加的分钟通气量。主要通过增加VTs来增加肺泡通气可能会导致VILI。增加呼吸频率是一种有用的措施，但在气腹时气道阻力增加的情况下，可能会限制呼气流量。较高的气道峰值压力不一定反映肺泡水平的压力，相反，在流量增加的情况下，可能主要与较高的气道阻力有关。然而，如果基于pH值的中度高碳酸血症是可以接受的，则可以缓和这些呼吸措施对于肺的破坏性。

慢性阻塞性肺疾病/哮喘

阻塞性肺病患者不能产生正常的呼气流量。通常，在被动呼气结束时，肺容量恢复到松弛的容量。这种松弛的肺容量被定义为自主呼吸期间的FRC。每当呼吸系统无法在FRC附近产生必要的呼气流量时，就会发生过度充气。在由于气流阻塞导致呼气阻力增加的患者中，EELV可能会增加到高于预测的FRC。随着EELV的增加，呼气末肺泡压力增加，这被称为内源性PEEP。动态过度充气的机械原因包括呼气阻力增加导致更长的时间常数和肺弹性降低，导致呼气驱动压力降低。呼气流量限制被定义为无论呼气驱动压力增加如何都无法增加呼气流量。过度充气和内源性PEEP的后果是辅助机械通气期间吸气阈值增加。患者必须产生额外的胸膜压力来抵消内在的PEEP，才能触发呼吸机。这可以被认为是浪费了呼吸的能量，因为吸气肌肉收缩以抵消内源性的PEEP不会产生吸气流。吸气肌肉负荷增加会导致肌肉疲劳和患者呼吸机不同步，并导致肺血管阻力增加和右心室衰竭。

通过进行呼气末阻断，可以测量静态固有PEEP。结合吸气末阻断，可以获得呼吸系统的静态顺应性。对于动态过度充气和内源性PEEP的患者，静态顺应性的计算应通过内源性PEEP进行校准；否则，真实的依从性将被低估。动态过度充气引起的EELV升高可以在床边使用释放和延长呼气动作来测量。无论选择何种通气模式，都应定期进行呼气监测以允许肺排空。对于严重哮喘患者，建议使用相对较小的VT和较高的吸气流量来保持呼气时间并最大程度地减少动态过度充气。为了在呼吸机触发期间平衡内源性PEEP，PEEP可用于COPD患者。PEEP水平通常设置为基线内在PEEP的80%，这可以通过瀑布类比来解释。

成人ARDS

在ARDS患者的异质性肺中，不同位置的局部应变（肺组织变形或体积变化）和跨肺压（气道压力-胸膜压力）不同。在ARDS患者中，婴儿肺的高吸气和呼气阻力以及低顺应性是主要病理表现。假设所有肺泡都是开放的，平台压（Pplat）反映了吸气末肺泡压力。短吸气末阻断（0.3秒）足以估计施加在肺泡上的有害压力，特别是在被动呼吸中。如今，在大型试验中使用的将Pplat维持在或低于25 cmH2O似乎是一个合理且安全的阈值。在吸气末期，通过插入食管球囊得出的Ptp是对肺扩张压力的更可靠测量，因为Pplat也取决于胸膜压力（Ppl）。在一些患者中，Ccw占CRS的近50%，而在其他情况下，仅占约15%至20%。这两个因素的分离改善了呼吸机的设置和结果。呼气末PTP（PTP，ee）是呼气末扩张肺部的压力。负PTP，ee值在ARDS中很常见，可能有利于通气和肺不张期间肺泡的周期性重新打开和关闭。将PEEP设置为正PTP，ee与改善的生理参数相关。ΔP值高于14至15 cmH2O与死亡率较高独立相关。最佳PEEP对于ARDS至关重要，之前已经讨论过。不包括肺部成像方法，PEEP设置最常用的方法是通过呼吸力学的应用。通常使用最佳顺应性方法或ARDS PEEP表。呼气末气道关闭是ARDS的另一个特征，需要密切关注呼气末流量曲线以及食管压力以监测气道关闭。随着新技术的发展，EIT已被用于选择最佳PEEP，实际上可能是床边最简单和最有前途的方法。该方法可用于计算过度膨胀和塌陷的百分比。

总结

当代对通气患者的管理仍然依赖于对气道压力和流量等旧参数的测量。图形演示，特别是不同位置的压力和流量曲线，揭示了患者-呼吸机相互作用的复杂性。这增加了测量的复杂性，并为基于基本生理知识的几种床边技术开辟了新的途径。新型冠状病毒肺炎的传播使麻醉医生和重症医学医生面临着过去几十年来最严重的肺部疾病之一。优化患者床边的呼吸力学对于ICU的医生来说是一项有价值的技能，这项技能得到了肺超声和电阻抗断层扫描等移动技术的进一步完善和支持。

临床监护要点

1、始终结合您的临床评估来评估患者的压力-时间和流量-时间曲线。

2、使用其他成像方式，如放射检查、超声波和EIT。

3、压力-容积曲线提供了对顺应性和可复张性的深入了解。

4、牢记安全的气道压力：理想情况下Pplat小于30 cmH2O，ARDS患者甚至更低，驱动压小于15 cmH2O。

5、驱动压是对肺部有害能量的测量，是运动方程的一个有吸引力的捷径，因为它结合了变量PPlat（吸气力）和PEEP（呼气力）。存活率并不取决于驱动压在压力-体积图上的位置，而是取决于驱动压的绝对值。

6、平均气道压力在临床上很重要，因为PaO2与平均气道压力成正比，与心输出量成反比。完全机械通气患者的典型平均Paw值为：正常肺患者为5至10 cmH2O，气流阻塞患者为10至20 cmH2O，ARDS患者为15至30 cmH2O。

7、最佳顺应性证明了理想的扩张压力、肺泡复张、V/Q匹配和同质性，因此可以预防VILI。

原文信息：Anesthesiology Clin 39 (2021) 415–440

https:///10.1016/j.anclin.2021.04.003